康曉光

(潞安化工集團 潞寧煤業(yè)有限責任公司,山西 寧武 036706)

0 引言

煤炭在我國所消耗的化石能源中占據(jù)著65%的份額，所以煤炭的開采對保障經(jīng)濟的發(fā)展以及社會民生需求等方面具有重要意義。為了提高煤礦的開采效率，近年來煤礦開采設(shè)備有了一個較大的進步，尤其是機械化、自動化的發(fā)展，使得煤礦產(chǎn)量得到進一步提高。但隨之而來的就是開采設(shè)備結(jié)構(gòu)安全的問題，如何保障煤礦開采設(shè)備在高強度、重載荷等的作用下安全可靠是一個重要的研究領(lǐng)域。

礦用絞車屬于井下煤礦開采作業(yè)的輔助運輸設(shè)備，雙速絞車具有快、慢兩種配速，適用范圍更廣，在低速狀態(tài)下的牽引質(zhì)量較高速時的牽引質(zhì)量更大。不同的調(diào)速適用于不同的應(yīng)用場景，雙速絞車由雙聯(lián)齒輪結(jié)構(gòu)和一個內(nèi)齒圈以及一個可滑動的齒輪組合而成，因此絞車的雙齒輪結(jié)構(gòu)的可靠性對保障絞車的穩(wěn)定性具有重要意義。本文以JSDB-19型雙速絞車為研究對象，采用ADAMS動態(tài)仿真軟件對絞車關(guān)鍵部件進行強度分析。

1 JSDB-19型雙速絞車結(jié)構(gòu)特征

JSDB-19型雙速多用絞車由電動機1、聯(lián)軸器2、變速箱3、卷筒機構(gòu)4等組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。該絞車電機選用了ZC150M型驅(qū)動電機，電機額定功率為8 kW，額定工作轉(zhuǎn)速為1 100 r/min。

1-電動機；2-聯(lián)軸器；3-變速箱；4-卷筒機構(gòu)

該絞車特點如下：

(1) 具有兩種調(diào)速，低速時平均速度為6 m/min～10 m/min，高速狀態(tài)下平均速度為50 m/min～70 m/min，通過雙齒輪離合內(nèi)齒方式實現(xiàn)速比較大的兩檔切換，具有較強的實際應(yīng)用意義。

(2) 在煤礦開采中可實現(xiàn)一機多用，代替調(diào)速絞車、慢速絞車、運輸絞車等設(shè)備。

(3) 設(shè)計使用壽命長，穩(wěn)定性與可靠性較高，同時具有機構(gòu)緊湊等優(yōu)點，可以在狹小的空間內(nèi)使用。

2 有限元模型的建立

使用UG創(chuàng)建雙速絞車減速器三維實體模型，如圖2所示。

圖2 雙速絞車減速器三維模型

JSDB-19型雙速多用絞車傳動系統(tǒng)中低速軸的轉(zhuǎn)動速度低，傳遞的功率較大，受到的扭矩較大。根據(jù)實際的應(yīng)用情況，本文選擇低速傳動軸以及軸上齒輪作為分析對象。

在建立有限元仿真模型時，將模型中較小的特征去掉，如倒圓角、小孔等。軸與齒輪的材料均使用45鋼，材料的彈性模量為206 GPa、泊松比為0.3、密度為7.8 kg/mm3、屈服強度為482 MPa。

根據(jù)齒輪傳動的特點，模型網(wǎng)格劃分選擇單元類似的四面體單元，使用軟件自由網(wǎng)格劃分方法來劃分網(wǎng)格。網(wǎng)格單元基本尺寸設(shè)置為20 mm，單元類型設(shè)置為solid45，最終計算分析得到的有限元模型共有54 714個單元、72 562個節(jié)點。

低速軸兩端由軸承支撐，在工作時軸與齒輪一起轉(zhuǎn)動，軸與齒輪之間靠鍵鎖緊，仿真分析時將軸與齒輪作為單獨的對象施加載荷與邊界條件。在不考慮軸與軸承以及齒輪之間裝配誤差的情況下，軸兩端位移約束為零，約束軸的徑向旋轉(zhuǎn)自由度；齒輪為主動件，模型進行簡化處理，認為軸與齒輪之間是剛性連接，對齒輪安裝面施加固定約束。在驅(qū)動電機的輸入功率為6 kW，轉(zhuǎn)速為45 r/min工況下，齒輪傳遞的扭矩為1.8×106N·mm，在齒輪最惡劣工況下法向載荷為18 kN，齒輪的載荷傳遞為全齒寬接觸。

3 有限元分析計算結(jié)果

采用ADAMS動態(tài)仿真軟件計算最惡劣工況條件下低速轉(zhuǎn)軸與其上傳動齒輪的應(yīng)力與應(yīng)變。

3.1 低速轉(zhuǎn)軸計算結(jié)果

低速轉(zhuǎn)軸計算結(jié)果如圖3所示。軸的最大變形量為1.887×10-4mm，變形相對較?。惠S的最大應(yīng)力值為20.5 MPa，遠小于材料的屈服強度；最大應(yīng)力與變形分布與軸和齒輪實際嚙合的情況類似，最大應(yīng)力值出現(xiàn)于低速齒輪與軸相接觸的地方。根據(jù)計算結(jié)果，軸的設(shè)計滿足結(jié)構(gòu)強度要求。

圖3 低速轉(zhuǎn)軸計算結(jié)果

3.2 齒輪計算結(jié)果

齒輪的應(yīng)力云圖如圖4所示。齒輪最大應(yīng)力值為386 MPa，出現(xiàn)在齒根位置，小于材料的屈服強度482 MPa，滿足結(jié)構(gòu)強度的設(shè)計要求。但最大應(yīng)力值與材料屈服強度接近，齒根處最容易產(chǎn)生齒輪輪齒斷裂失效，應(yīng)對齒輪齒根位置應(yīng)力集中情況進行處理。可以采用在齒輪根部圓弧過渡等方式來降低齒根的應(yīng)力集中情況，同時應(yīng)注意齒輪嚙合過程中不要發(fā)生偏載現(xiàn)象，如此將造成齒輪過度磨損。

圖4 齒輪應(yīng)力云圖

4 結(jié)語

雙速絞車對于保障煤礦的安全開采具有重要作用，為了提高雙速絞車的可靠性以及經(jīng)濟效益，以JSDB-19型雙速多用絞車為研究對象，利用ADAMS動態(tài)仿真軟件對絞車關(guān)鍵部件進行了強度分析。分析結(jié)果顯示，齒輪軸最大應(yīng)力為20.5 MPa，應(yīng)力值遠小于材料的屈服強度，最大應(yīng)力值位于與齒輪相基礎(chǔ)的區(qū)域，相對比較安全；齒輪的最大應(yīng)力值為386 MPa，小于材料的屈服強度，但齒根位置存在較為明顯的應(yīng)力集中。提出對該齒輪的結(jié)構(gòu)優(yōu)化建議，即在齒根部應(yīng)采用圓角過渡以減小應(yīng)力集中，齒根位置是齒輪的薄弱區(qū)域，應(yīng)注意針對該區(qū)域的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。該研究對雙速絞車變速箱結(jié)構(gòu)的設(shè)計具有參考意義，對于提升雙速絞車的可靠性具有重要意義。